Depuis que le graphène, une fine feuille de carbone d'un seul atome d'épaisseur, a été découvert il y a plus de 15 ans, ce matériau merveilleux est devenu un cheval de trait dans la recherche en science des matériaux. De cet ensemble de travaux, d'autres chercheurs ont appris que le tranchage du graphène le long du bord de son réseau en nid d'abeille crée des bandes de graphène unidimensionnelles en zigzag ou des nanorubans aux propriétés magnétiques exotiques.

De nombreux chercheurs ont cherché à exploiter le comportement magnétique inhabituel des nanorubans dans des dispositifs de spintronique à base de carbone qui permettent des technologies de stockage de données et de traitement de l'information à haute vitesse et à faible puissance en codant les données par spin électronique au lieu de la charge. Mais comme les nanorubans en zigzag sont hautement réactifs, les chercheurs ont cherché à observer et à canaliser leurs propriétés exotiques dans un appareil du monde réel.

Maintenant, comme indiqué dans le numéro du 22 décembre de la revue Nature , des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l'UC Berkeley ont mis au point une méthode pour stabiliser les bords des nanorubans de graphène et mesurer directement leurs propriétés magnétiques uniques.

L'équipe co-dirigée par Felix Fischer et Steven Louie, tous deux scientifiques de la faculté de la division des sciences des matériaux du laboratoire de Berkeley, a découvert qu'en remplaçant certains des atomes de carbone le long des bords en zigzag du ruban par des atomes d'azote, ils pouvaient discrètement régler la structure électronique locale sans perturber les propriétés magnétiques. Ce changement structurel subtil a en outre permis le développement d'une technique de microscopie à sonde à balayage pour mesurer le magnétisme local du matériau à l'échelle atomique.

"Les tentatives antérieures pour stabiliser le bord en zigzag ont inévitablement modifié la structure électronique du bord lui-même", a déclaré Louie, qui est également professeur de physique à l'UC Berkeley. "Ce dilemme a condamné les efforts pour accéder à leur structure magnétique avec des techniques expérimentales, et jusqu'à présent relégué leur exploration à des modèles informatiques", a-t-il ajouté.

Guidés par des modèles théoriques, Fischer et Louie ont conçu un bloc de construction moléculaire sur mesure comportant un arrangement d'atomes de carbone et d'azote qui peut être cartographié sur la structure précise des nanorubans de graphène en zigzag souhaités.

Pour construire les nanorubans, les petits blocs de construction moléculaires sont d'abord déposés sur une surface métallique plate, ou substrat. Ensuite, la surface est doucement chauffée, activant deux poignées chimiques à chaque extrémité de chaque molécule. Cette étape d'activation rompt une liaison chimique et laisse une "extrémité collante" hautement réactive.

Chaque fois que deux "extrémités collantes" se rencontrent alors que les molécules activées s'étalent sur la surface, les molécules se combinent pour former de nouvelles liaisons carbone-carbone. Finalement, le processus construit des chaînes en guirlande 1D de blocs de construction moléculaires. Enfin, une deuxième étape de chauffage réorganise les liaisons internes de la chaîne pour former un nanoruban de graphène présentant deux bords en zigzag parallèles.

"L'avantage unique de cette technologie moléculaire ascendante est que toute caractéristique structurelle du ruban de graphène, telle que la position exacte des atomes d'azote, peut être encodée dans le bloc de construction moléculaire", a déclaré Raymond Blackwell, étudiant diplômé au Fischer group et co-auteur principal de l'article avec Fangzhou Zhao, étudiant diplômé du groupe Louie.

Le défi suivant consistait à mesurer les propriétés des nanorubans.

"Nous avons rapidement réalisé que, non seulement pour mesurer mais aussi quantifier le champ magnétique induit par les états de bord du nanoruban polarisé en spin, nous devions résoudre deux problèmes supplémentaires", a déclaré Fischer, qui est également professeur de chimie à l'UC Berkeley.

Tout d'abord, l'équipe devait trouver comment séparer la structure électronique du ruban de son substrat. Fischer a résolu le problème en utilisant une pointe de microscope à effet tunnel pour rompre de manière irréversible le lien entre le nanoruban de graphène et le métal sous-jacent.

Le deuxième défi était de développer une nouvelle technique pour mesurer directement un champ magnétique à l'échelle du nanomètre. Heureusement, les chercheurs ont découvert que les atomes d'azote substitués dans la structure des nanorubans agissaient en fait comme des capteurs à l'échelle atomique.

Les mesures aux positions des atomes d'azote ont révélé les caractéristiques d'un champ magnétique local le long du bord du zigzag.

Les calculs effectués par Louie à l'aide des ressources informatiques du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) ont donné des prédictions quantitatives des interactions qui découlent des états de bord polarisés en spin des rubans. Les mesures par microscopie des signatures précises des interactions magnétiques correspondaient à ces prédictions et confirmaient leurs propriétés quantiques.

"Explorer et finalement développer les outils expérimentaux qui permettent une ingénierie rationnelle de ces bords magnétiques exotiques ouvre la porte à des opportunités sans précédent de la spintronique à base de carbone", a déclaré Fischer, faisant référence aux dispositifs nanoélectroniques de nouvelle génération qui reposent sur les propriétés intrinsèques des électrons. Les travaux futurs consisteront à explorer les phénomènes associés à ces propriétés dans des architectures de graphène en zigzag conçues sur mesure. + Explorer plus loin

Preuve trouvée du magnétisme aux bords du graphène